Termodinamika teknik
Termodinamika teknik adalah adalah cabang ilmu termodinamika yang secara khusus mengkaji ilmu keteknikan dalam termodinamika. Tujuannya untuk memenuhi kebutuhan manusia dengan memanfaatkan prinsip termodinamika. Bidang kajian termodinamika teknik meliputi mekanika fluida, perpindahan panas dan perpindahan massa. Dalam termodinamika teknik, analisa keteknikan digunakan untuk menghasilkan produk yang mampu memberikan manfaat secara efektif dan efisien dari segi biaya, daya guna, penghematan energi dan ramah lingkungan.[1] Pengukuran di dalam termodinamika teknik memerlukan nilai volume spesifik, tekanan dan suhu.[2]
Prinsip
suntingBatas sistem
suntingTermodinamika teknik memerlukan prinsip sistem yang dapat dibatasi. Batas ini memisahkan antara sistem dengan lingkungan luarnya. Kajian termodinamika teknik berpusat pada interaksi yang terjadi pada batas sistem. Tujuan analisa batas sistem adalah untuk memudahkan analisis lanjutan pada fenomena fisika yang tampak pada suatu sistem termodinamika.[3]
Kajian
suntingMekanika fluida
suntingMekanika fluida adalah cabang mekanika yang mempelajari mengenai pergerakan dari fluida. Pergerakan ini diamati dalam bentuk cairan maupun gas. Dalam mekanika fluida juga dipelajari fluida yang tidak dalam keadaan bergerak atau diam. Sebagian besar bahasan dalam mekanika fluida berkaitan dengan mekanika kontinum. Secara garis besar, mekanika fluida terbagi menjadi statika fluida yang mempelajari fluida dalam keadaan diam, dan dinamika fluida yang mempelajari fluida dalam keadaan bergerak. Khusus pada dinamika fluida digunakan pendekatan matematika dan bukti empiris yang rumit guna penyelesaian masalah.[4]
Mekanika fluida hampir seluruhnya mengkaji hukum fisika dan mekanika. Kekhususannya adalah pada objek yang dikaji yaitu fluida. Mekanika fluida membahas tentang penerapan hukum gerak Newton, hukum kekekalan massa, hukum pertama termodinamika dan hukum kedua termodinamika. Pembahasan dalam mekanika fluida kemudian dikelompokkan menjadi dua, yaitu statika fluida dan dinamika fluida. Pada statika fluida, mekanika fluida membahas fluida yang dalam keadaan diam atau tidak bergerak. Sementara itu, dinamika fluida membahas tentang fluida dalam keadaan bergerak.[5]
Perpindahan panas
suntingPerpindahan panas adalah perpindahan energi akibat adanya perbedaan suhu di antara dua tempat yang berbeda. Bahasan utama dalam perpindahan panas ialah cara energi di dalam panas dapat berpindah tempat dan laju perpindahannya dalam kondisi tertentu.[6] Perpindahan panas meliputi proses pemasukan dan pengeluaran panas. Dalam proses industri, perpindahan panas digunakan untuk mencapai suhu yang diperlukan dalam proses industri dan mempertahankan suhu yang dibutuhkan selama proses berlangsung.[7] Perpindahan panas dari suatu benda ke benda lainnya dapat terjadi secara konduksi, konveksi, dan radiasi. Penentu terjadinya perpindahan panas ialah adanya perbedaan suhu. Arah perpindahan panas dimulai dari media dengan suhu tinggi menuju ke media dengan suhu yang lebih rendah. Perpindahan panas dapat terjadi dengan satu proses tunggal maupun proses ganda.[8]
Pengukuran
suntingTekanan
suntingDalam perhitungan fluida, nilai tekanan lebih diutamakan untuk diketahui dibandingkan dengan gaya. Hal ini dilandasi oleh fenomena fluida yang memberikan tekanan sebagai hasil gaya yang terjadi padanya. Tekanan diartikan sebagai besarnya gaya serenjang yang diberikan terhadap suatu permukaan tiap satuan luas.[9] Gaya serenjang dihasilkan ke seluruh permukaan benda yang bersentuhan dengan fluida pada kondisi fluida yang tenang. Dalam kondisi ini, molekul-molekul di dalam fluida tetap bergerak, sehingga gaya yang timbul merupakan akibat dari tumbukan molekul-molekul.[10] Satuan tekanan yang umum digunakan dalam fluida adalah Pascal yang setara dengan nilai 1 Newton per meter persegi.[11]
Besarnya tekanan yang diterima dari fluida menuju ke suatu bidang tertentu adalah sama dari arah manapun. Konsep ini berlaku baik bagi fluida diam maupun fluida yang bergerak.[12] Tekanan yang dialami oleh fluida pada ruang terbuka berasal dari tekanan atmosfer. Pada tekanan atmosfer, fluida seakan-akan tidak menerima gaya apapun tetapi sebenarnya menerima tekanan atmosfer. Gaya tidak terukur karena permukaan bidang atmosfer sangat luas yaitu udara. Pada ketinggian tempat yang berbeda-beda, nilai tekanan atmosfer juga berbeda-beda.[13]
Sementara itu, nilai tekanan yang dialami oleh benda di dalam cairan atau merupakan nilai tekanan yang dihasilkan oleh fluida di lingkungan sekitarnya. Bila fluida yang berisi benda ini berada di ruang terbuka, maka nilai tekanannya merupakan penjumlahan antara tekanan atmosfer dan tekanan fluida. Hasil penjumlahan ini disebut sebagai tekanan pengukuran. Perhitungan fluida secara umum menggunakan nilai dari tekanan pengukuran. Ciri dari tekanan pengukuran ini adalah hanya dipengaruhi oleh kedalaman benda di dalam fluida.[14]
Entropi
suntingEntropi memiliki sifat fisika yang berbeda dengan energi. Perubahan entropi tidak selalu menghasilkan nilai yang sama ketika seluruh bentuk perubahan dijumlahkan. Prinsip perpindahan panas berlaku di dalam perhitungan entropi. Suatu benda yang mempunyai panas dengan suhu yang tinggi, ketika disatukan dengan benda lain dengan suhu yang lebih rendah, akan menghasilkan nilai panas yang sama di kedua benda tersebut. Dalam hal ini, entropi benda yang lebih panas menjadi berkurang, sementara entropi benda yang lebih dingin menjadi bertambah. Selama proses perpindahan panas ini, nilai total dari entropi mengalami penambahan. Penambahan entropi ini terjadi selama proses perpindahan panas dari satu benda ke benda lain sedang berlangsung. Persamaan antara energi dan entropi menurut hukum termodinamika kedua adalah tidak dapat dimusnahkan karena tidak dapat berkurang. Sementara itu, perbedaannya adalah entropi dapat diciptakan, sementara energi tidak dapat diciptakan. Prinsip energi didasarkan pada hukum pertama termodinamika, sementara prinsip entropi didasarkan pada hukum kedua termodinamika.[15]
Energi dalam
suntingEnergi dalam merupakan kumpulan energi kinetik yang umumnya tersimpan di dalam gas ideal. Energi kinetik ini berada di dalam atom-atom yang disebut gas monoatomik. Distribusi Maxwell digunakan sebagai acuan penyebaran energi dalam ketika terjadi momentum-momentun atom di dalam gas ideal.[16] Pergerakan gas monoatomik ini merupakan akibat dari adanya energi di dalam atom. Derajat kebebasan di dalam sistem gas ideal berjumlah 3 sehingga tiap molekul mempunyai energi dalam dengan nilai 1/3.[17] Suhu suatu sistem dapat diubah menggunakan energi dalamnya. Sehingga dapat dikatakan bahwa panas dan usaha merupakan faktor yang menentukan nilai suhu.[17]
Energi dalam umumnya digunakan untuk mengetahui besarnya gaya gesek suatu benda terhadap suatu lintasan. Ketika mengalami gaya gesek, benda menghasilkan usaha yang besar dan bersifat mutlak seiring dengan semakin panjangnya lintasan dan semakin besarnya gaya gesek. Gaya gesek ini yang timbul merupakan gaya non-konservatif sehingga tidak dapat diketahui nilainya hanya dengan mengukur perubahan energi potensial pada benda. Besarnya energi dalam kemudian dimanfaatkan untuk mengetahui nilai gaya gesek dengan mengamati efek dari gaya gesek tersebut. Efek dari gaya gesek ini dinyatakan dalam bentuk perubahan energi.[18]
Energi dalam dari suatu molekul merupakan perpaduan dari beberapa jenis energi. Semua energi ini dihasilkan oleh getaran dan gerakan molekul-molekul. Jenis gerakan yang dilakukan oleh molekul umumnya ialah gerak translasi dan rotasi. Energi dalam umumnya meliputi energi kimia, energi listrik statis, dan energi listrik dinamis.[19]
Pemanfaatan
suntingMesin termal
suntingTermodinamika teknik dimanfaatkan untuk menghitung tingkat efisiensi energi pada bahan bakar mesin dan perancangan mesin. Manfaat ini diperoleh dari penggunaan data empiris dan persamaan aljabar.[20] Ilmu termodinamika digunakan untuk bidang ilmu yang berkaitan dengan pemanfaatan dari perubahan energi. Termodinamika secara khusus diterapkan dan digunakan dalam analisa mesin-mesin termal oleh para teknisi. Ilmu termodinamika dimanfaatkan dalam berbagai jenis motor seperti motor diesel dan motor bensin. Dalam bidang kelistrikan, ilmu termodinamika digunakan dalam pembangkit listrik dan turbin gas. Dalam kehidupan rumah tangga, termodinamika dimanfaatkan dalam perancangan mesin pendingin, penanak nasi, setrika, sistem pemanas surya dan televisi. Sementara itu, dalam teknologi luar angkasa, termodinamika dimanfaatkan dalam perancangan mesin roket.[21] Sementara itu, di bidang industri, mesin termal ini dimanfaatkan sebagai mesin penggerak, mesin pendingin maupun mesin pemanas.[22]
Referensi
suntingCatatan kaki
sunting- ^ Moran dan Shapiro 2004, hlm. 1.
- ^ Moran dan Shapiro 2004, hlm. 13.
- ^ Moran dan Shapiro 2004, hlm. 3.
- ^ Kironoto, Bambang Agus (2018). Statika Fluida. Yogyakarta: Gadjah Mada University Press. hlm. 1. ISBN 978-602-386-152-1.
- ^ Munsin, B.R., Young, D.F., dan Okiishi, T.H. (2004). Mekanika Fluida Jilid 1. Diterjemahkan oleh Harinaldi dan Budiarso (edisi ke-4). Jakarta: Erlangga. hlm. 13. ISBN 979-741-392-6.
- ^ Jamaluddin 2018, hlm. 5.
- ^ Jamaluddin 2018, hlm. 5-6.
- ^ Jamaluddin 2018, hlm. 6.
- ^ Asraf dan Kurniawan 2021, hlm. 5.
- ^ Young, H. D., dkk. (2002). Fisika Universitas. Jakarta: Erlangga. hlm. 425. ISBN 979-688-472-0.
- ^ Asraf dan Kurniawan 2021, hlm. 6.
- ^ Asraf dan Kurniawan 2021, hlm. 9.
- ^ Asraf dan Kurniawan 2021, hlm. 12.
- ^ Asraf dan Kurniawan 2021, hlm. 12-13.
- ^ Asraf dan Kurniawan 2021, hlm. 176.
- ^ Siregar 2012, hlm. 2.
- ^ a b Surya 2009, hlm. 100.
- ^ Asraf dan Kurniawan 2021, hlm. 232.
- ^ Soekardi 2015, hlm. 51.
- ^ Syaka dan Riyadi 2020, hlm. 7.
- ^ Soekardi 2015, hlm. 3.
- ^ Soekardi 2015, hlm. 36.
Daftar pustaka
sunting- Asraf, A., dan Kurniawan, B. (2021). Darojah, Lia Inarotut, ed. Fisika Dasar untuk Sains dan Teknik: Jilid 2 Mekanika Fluida dan Termodinamika. Jakarta: Bumi Aksara. ISBN 978-602-444-955-1.
- Jamaluddin (2018). Perpindahan Panas dan Massa pada Penyangraian dan Penggorengan Bahan Pangan (PDF). Makassar: Badan Penerbit Universitas Negeri Makassar. ISBN 978-602-5554-54-4.
- Moran. M. J., dan Shapiro, H. N. (2004). Termodinamika Teknik Jilid 1 (edisi ke-4). Jakarta: Erlangga. ISBN 979-741-415-9.
- Siregar, Rustam E. (2012). Fisika Statistik (PDF). Jatinangor: Unpad Press. ISBN 978-602-9238-69-3. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2021-11-01. Diakses tanggal 2021-11-01.
- Soekardi, Chandrasa (2015). Bendatu, Monica, ed. Termodinamika Dasar: Mesin Konversi Energi. Yogyakarta: ANDI. ISBN 978-979-29-2389-6.
- Surya, Yohanes (2009). Suhu dan Termodinamika. Tangerang: PT Kandel. ISBN 978-979-1391-26-9.
- Syaka, D. R. B., dan Riyadi (2020). Pengantar Termodinamika untuk Siklus Tenaga. Jakarta: UNJ Press. ISBN 978-623-751-835-8.